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Verfahren und Anordnung zur
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Auswertung von Meßsignalen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Auswertung von Meßsignalen, deren Frequenz den Meßwert ausdrückt, durch Zählung
von Zählimpulsen, deren Frequenz größer als die Frequenz der Meßsignale ist, in
Meßzeiten, die von der Periode oder einem Vielfachen der Periode der Meßsignale
abhängen, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus der DE-AS 2 166 681 ist eine Vorrichtung zur Linearisierung von
durch Impulsfolgen charakterisierten Meßwerten bekannt, bei welcher die Meßimpulse
selbst während der Meßzeit gezählt werden. Die Meßzeit muß daher groß gegen die
Periode der Meßimpulse sein. Zur Linearisierung der die Meßgröße als Funktion der
gezählten Impulszahl darstellenden Kurve wird die Meßzeit in Abhängigkeit von der
augenblicklichen Frequenz der Impulsfolge geändert. Zu diesem Zweck enthält die
Vorrichtung einen Frequenzmesser, der die
augenblickliche Frequenz
der Impulsfolge mißt, einen Frequenzkomparator, der die Frequenzen entsprechend
vorgegebener Frequenzbereiche klassifiziert, und eine Matrix, die jedem Frequenzbereich
eine bestimmte Meßzeit zuordnet. Der Schaltungsaufwand dieser bekannten Vorrichtung
ist erheblich. Sie eignet sich ferner nur für Meßsignale von großer Frequenz, da
bei niedrigen Meßfrequenzen die Meßzeiten, die ja zur Erzielung einer ausreichenden
Meßgenauigkeit ein Vielfaches der Periode der Meßsignale betragen müssen, zu lang
werden.
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Für die Messung niedriger Frequenzen ist an sich das umgekehrte Verfahren
bekannt, die Periode der Meßsignale (oder ein Vielfaches dieser Periode) durch Zählung
von Taktimpulsen zu messen, deren Frequenz groß gegen die zu messende Frequenz ist.
Eine Linearisierung oder sonstige Veränderung der die Periode als Funktion der gezählten
Impulse darstellenden Kennlinie ist dabei nicht erforderlich.
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Bei der Auswertung von Meßsignalen, deren Frequenz einen beliebigen
Meßwert ausdrückt, ist die Abhängigkeit der Frequenz vom Meßwert oft sehr nichtlinear.
Für Taupunktmessungen werden beispielsweise Feuchtefühler verwendet, deren Kapazität
sich in Abhängigkeit von der bestehenden Feuchte nichtlinear ändert. Um den Meßwert
in Form einer Frequenz übertragen zu können, wird der Feuchtefühler als frequenzbestimmendes
Glied eines Oszillators verwendet, dessen Ausgangsfrequenz wiederum nichtlinear
von der Kapazität des Feuchtefühlers abhängt. Somit hängt schließlich die Ausgangsfrequenz
des Oszillators nach einer sehr nichtlinearen Kurve von der zu messenden Feuchte
ab, wobei die Funktion auch noch fallend ist, d.h., daß dem niedrigsten Taupunkt
die höchste Frequenz und dem höchsten Taupunkt die niedrigste Frequenz entspricht.
Erschwerend komntt hinzu,
daß der Zusammenhang zwischen Frequenz
und Taupunkt von Fühler zu Fühler variieren kann. Erwünscht ist dagegen eine Anzeige,
welche dem Taupunkt direkt proportional ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs
angegebenen Art, das bei Auswertung von Meßsignalen auch sehr niedriger Frequenz
und mit sehr nichtlinearem Zusammenhang zwischen Meßgröße und Frequenz jeden gewünschten,
beispielsweise einen linearen, Zusammenhang zwischen der Meßgröße und der gezählten
Impuls zahl ermöglicht.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Frequenz der
Zählimpulse in jeder Meßzeit jeweils nach Zählung einer vorgegebenen Impulszahl
geändert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Änderung der Frequenz
der Zählimpulse innerhalb jeder Meßzeit der Zusammenhang zwischen der gezählten
Impulszahl und der Meßgröße bestimmt. Dadurch kann die Nichtlinearität des Zusammenhangs
zwischen Meßgröße und Frequenz beseitigt und darüber hinaus auch noch jeder gewünschte
Verlauf der Kennlinie des Anzeigegeräts erzielt werden, insbesondere ein linearer
Verlauf.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es lediglich
erforderlich, die verschiedenen Frequenzen entsprechend dem gewünschten Zusammenhang
zwischen Impuls zahl und Meßgröße in Abhängigkeit von der die Meßgröße als Funktion
der Meßzeit darstellenden Kurve einmal einzustellen.
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Dies geschieht vorzugsweise so, daß die Frequenz der Zählimpulse am
Beginn jeder Meßzeit und jeweils nach Zählung der vorgegebenen Impuls zahl umgekehrt
proportional zu dem Zeitintervall eingestellt wird, das sich aus der die Meßgröße
als Funktion der Meßzeit darstellenden Kurve für das
der vorgegebenen
Impuls zahl zugeordnete Meßgrößenintervall ergibt.
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Wenn in diesem Fall das Meßgrößenintervall in jedem Fall der vorgegebenen
Impuls zahl proportional ist, bei konstanter Impulszahl also stets gleich groß ist,
ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Meßgröße und Impulszahl.
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Durch eine beliebige andere, beispielsweise quadratische oder logarithmische
Zuordnung zwischen den Meßgrößenintervallen und der Impulszahl, nach der jeweils
eine Änderung der Zählimpulsfrequenz vorgenommen wird, läßt sich jeder gewünschte,
beispielsweise ein quadratischer oder logarithmischer, Verlauf der Kennlinie des
Anzeigegeräts erzielen.
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Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es ferner möglich, den Nullpunkt der Anzeige beliebig festzulegen, so daß mit
einer endlichen Frequenz die Impuls zahl Null für die untere Grenze des Meßbereichs
gezählt werden kann. Diese Ausgestaltung besteht darin, daß jede Meßzeit gleich
einem vorgegebenen Vielfachen der Periode des Meßsignals, verringert um eine konstante
Offset-Zeit ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht in diesem Fall
darin, daß in jedem Meßzyklus vor dem Beginn der Meßzeit während der Offset-Zeit
eine konstante Anzahl von Zählimpulsen gezählt wird, zu der die Zählimpulse während
der Meßzeit hinzugezählt werden. Durch diese Weiterbildung wird erreicht, daß bei
dem der unteren Grenze des Meßbereichs entsprechenden Meßwert und bei noch niedrigeren
Meßwerten eine konstante endliche Anzeige erfolgt, die eine überwachung aller wichtigen
Funktionen erlaubt.
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Eine Anordnung zur Durchführung des vorstehend angegebenen Verfahrens,
mit einer Torschaltung, einem Signale mit der Meßsignalfrequenz empfangenden Frequenzteiler,
dessen Ausgang mit dem Steuereingang der Torschaltung verbunden ist,
einem
Zahlintpulsgenerator, dessen Ausgang mit dem Signaleingang der Torschaltung verbunden
ist, und mit einem die Ausgangssignale der Torschaltung empfangenden Ergebniszähler,
ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Folgefrequenz der vom Zählimpulsgenerator
gelieferten Zählimpulse durch an einen Steuereingang angelegte Steuersignale auf
voreingestellte Werte veränderlich ist, und daß an den Ausgang der Torschaltung
ein weiterer Zähler angeschlossen ist, der jeweils nach Zählung einer vorgegebenen
Impulszahl ein Steuersignal zum Steuereingang des Zählimpulsgenerators liefert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 ein Beispiel einer Kurve des Zusammenhangs zwischen Meßgröße und Frequenz
der Meßsignale und die gewünschte Kennlinie des Anzeigegeräts, Fig. 2 die der Frequenzkurve
von Fig. 1 entsprechende Kurve des Zusammenhangs zwischen Meßgröße und Periode der
Meßsignale, Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des bei der Erfindung angewendeten
Prinzips, Fig. 4 ein Blockschaltbild der Auswerte-Elektronik einer zur Durchführung
des Verfahrens verwendeten Anordnung, Fig. 5 Zeitdiagramme von Signalen, die an
verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 4 auftreten, Fig. 6 ein Blockschaltbild
der Vorortelektronik und Fig. 7 ein Blockschaltbild der in der Schaltung von Fig.
4 enthaltenen Funktionsüberwachungsschaltung.
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Anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Diagramme soll zunächst
das angewendete Meßprinzip am Beispiel eines Taupunktmeßgeräts erläutert werden,
das den Taupunkt Dp im Bereich von 200 K (-73°C) bis 300 K (+27°C) direkt analog
und linear mit Hilfe eines Milliamperemeters anzeigen soll. Um eine Überwachung
der Schaltungsfunktionen zu ermöglichen, soll für den niedrigsten Meßwert von 200
K und für tiefer liegende Taupunkte nicht der Strom Null, sondern ein konstanter
Grundstrom von 4 mA angezeigt werden. Dem höchsten Meßwert von 300 K ist ein Strom
von 20 mA zugeordnet. Die Eichung des Milliamperemeters entspricht somit 0,16 mA/K.
Die Kurve A von Fig. 1 zeigt den anzuzeigenden Strom in Milliampere als Funktion
des Taupunkts Dp.
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Die Messung des Taupunkts erfolgt mit Hilfe eines Feuchtefühlers,
dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der bestehenden Feuchte ändert. Am Ort
des Feuchtefühlers ist eine Vorortelektronik angebracht, in der der Feuchtefühler
als frequenzbestimmendes Schaltungselement verwendet wird.
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Die Vorortelektronik liefert somit für jeden Feuchtefühler eine Frequenz,
die in eindeutiger Weise ein Maß für die bestehende Feuchte ist. Diese Frequenz
wird auf geeignete Weise zu einer Auswerte-Elektronik übertragen, die die Frequenz
in einen Strom umwandelt, der die Feuchte entsprechend der Kurve A von Fig. 1 wiedergibt.
Die Auswerte-Elektronik kann in größerer Entfernung von der Vorortelektronik angewordnet
sein, und die Übertragung der Frequenz kann auf jede geeignete Weise erfolgen. Eine
bevorzugte Maßnahme besteht darin, die Frequenz durch die Folgefrequenz von Stromimpulsen
darzustellen und diese Stromimpulse dem Versorgungsgleichstrom der Vorortelektronik
zu überlagern.
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Auf diese Weise genügt eine Zweidrahtleitung zwischen der Vorortelektronik
und der Auswerte-Elektronik sowohl für die Stromversorgung als auch für die Meßwertübertragung.
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Die Kurve B von Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den Verlauf der von
der Vorortelektronik erzeugten Meßfrequenz zum als Funktion des Taupunkts Dp. Die
Kurve B läßt erkennen, daß ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Frequenz
fM und dem Taupunkt Dp besteht. Ferner ist die Funktion fallend, d.h. dem niedrigsten
Taupunkt 200 K ist die höchste Frequenz zugeordnet, die bei dem dargestellten Beispiel
320 IIz beträgt, und dem höchsten Taupunkt 300 K entspricht die niedrigste Frequenz
von 160 Hz.
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Die Auswerte-Elektronik muß also bei der Frequenz-Strom-Umwandlung
eine Linearisierung der Kennlinie vornehmen. Das für diese Umwandlung angewendete
Verfahren besteht im Prinzip aus einer modifizierten Periodendauermessuny durch
Zählung von Zählimpulsen während der Offnungsdauer eines Tores.
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Die Kurve C von Fig. 2 zeigt die Periodendauer TM als Funktion des
Taupunkts Dp für den durch die Kurve B von Fig. 1 gegebenen Verlauf der von der
Vorortelektronik gelieferten Meßfrequenz fM, also den Kehrwert T M = zum Die Kurve
C ist ebenfalls nichtlinear, sie steigt aber mit zunehmendem Taupunkt Dp. Für die
zuvor angegebenen Zahlenwerte ändert sich die Periodendauer T M zwischen 3,125 ms
bei 200 K und 6,25 ms bei 300 K.
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Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird nicht die Periodendauer TM selbst
verwendet, sondern ein Vielfaches N1 dieser Periodendauer, so daß die Meßzykluszeit
TC den Wert N1 T hat. Auf der rechten Seite des Diagramms von Fig. 2 ist der Ordinatenmaßstab
der Meßzeitzillus TC = N1..Tfür den Faktor N1 = 32 = 2 aufgetragen. Der Faktor 32
ist günstig, weil er durch Frequenzteilung der Frequenz zum in einem fünfstufigen
binären Frequenzteiler realisiert werden kann.
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Die Meßzykluszeit TC ändert sich also zwischen 100 ms bei 200 K und
200 ms bei 30G K entsprechend dem Verlauf der Kurve C.
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In Fig. 3 ist der durch die Kurve C gegebene Zusammenhang zwischen
der Meßzykluszeit TC und dem Taupunkt Dp erneut aufgetragen, diesmal aber in Form
der Funktion Dp = f(Tc). Auf der Abszizze ist die Meßzykluszeit TC in Millisekunden
aufgetragen, wobei der Nullpunkt TFl = 0 mit dem Ursprung des Koordinatensystems
zusammenfällt. Am linken Rand des Diagramms sind zwei Ordinatenmaßstäbe aufgetragen,
nämlich der Taupunkt Dp in Kelvin zwischen 200 K und 300 K und daneben der anzuzeigende
Strom I in Milliampere, wobei der Stromwert Null mit der Ordinate Null zusammenfällt.
Entsprechend der zuvor anhand von Fig. 1 gegebenen Erläuterung besteht ein linearer
Zusammenhang zwischen dem Strom I und dem Taupunkt Dp, wobei der Strom I = 4 mA
dem Taupunkt Dp = 200 K und der Strom I = 20 mA dem Taupunkt Dp = 300 K entspricht.
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Die Kurve D, die den Zusammenhang zwischen dem Taupunkt Dp und der
Meßzykluszeit TC darstellt, verläuft also vom Ordinatenwert I = 4 mA (Dp = 200 K)
beim Abszissenwert TC = 100 ms bis zum Ordinatenwert I = 20 mA (Dp = 300 K) beim
Abszissenwert TC = 200 ms. Die Kurve D ist aber nicht stetig gekrümmt, sondern näherungsweise
durch einen gebrochenen Linienzug ersetzt. Sie ist zu diesem Zweck in Segmente unterteilt,
die jeweils 10K Dp entsprechen, und innerhalb jedes Segments durch eine gerade Linie
ersetzt. Die Segmente entsprechen also gleichmäßigen Abständen in der Ordinatenrichtung,
aber infolge der Nichtlinearität unterschiedlichen Zeitintervallen AT in der Abszissenrichtung.
Bei dem dargestellten Beispiel sind zehn Segmente S1 bis S10 vorhanden.
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Zur Linearisierung der Kurve ist es vorgesehen, in jedem Segment die
gleiche Anzahl N5 von Impulsen zu zählen, und zwar 20 Impulse bei dem dargestellten
Beispiel. Da jedes Segment einem Intervall von 10 K entspricht, werden somit
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Impulse pro 1 K gezählt, und 1 Impuls entspricht einem Strom I von 0,08 mA. Infolge
der digitalen Messung durch Impuls zählung sind die Segmente der Kurve D in Wirklichkeit
keine geraden Linien, sondern Treppenkurven mit zwanzig Stufen pro Segment, wie
in Fig. 3 für das Segment S6 angedeutet ist.
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Der Grundstrom von 4 mA entspricht bei dem gewählten Zahlenbeispiel
der Zählung von 50 Impulsen. Der am rechten Rand des Diagramms aufgetragene Impulsmaßstab
für die eigentliche Messung beginnt also bei 50 Impulsen für 200 K und endet bei
250 Impulsen für 300 K.
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Damit trotz der unterschiedlichen Zeitintervalle AT in jedem Segment
20 Impulse gezählt werden, muß die Frequenz der für die Zählung verwendeten Zählimpulse
von Segment zu Segment entsprechend eingestellt werden. Die erforderliche Zählimpulsfrequenz
f läßt sich aus den bekannten, an den Grenzen des Segments bestehenden Meßfrequenzen
zum leicht berechnen.
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Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel gilt beispielsweise:
für Dp = 200 K: fM = 320 Hz; T= 3,125 ms; TC = 100 ms für Dp = 210 K: fM = 314 Hz;
T= 3,185 ms; TC = 101,92 ms Das Zeitintervall AT1 für das Segment S1 ergibt sich
daraus zu == 101,92 - 100 = 1,92 ms In diesem Zeitintervall von 1,92 ms müssen 20
Impulse gezählt werden. Die erforderliche Zählimpulsfrequenz fzbeträyt somit:
In der folgenden Tabelle sind die erforderlichen Zählimpulsfrequenzen
fzfür alle zehn Segmente S1 bis S10 zusammengestellt, die nach der gleichen Formel
berechnet worden sind:
| TC = |
| DP [K] fm[Hz] T[ms] N1.T[ms] #T[ms] fZ[hz] segment |
| 210 314 3,185 101,92 |
| 4,04 4 950 S2 |
| 220 302 3,311 105,96 2 |
| 5,15 3 883 S3 |
| 230 288 3,472 111,11 |
| 7,41 2 699 S4 |
| 240 270 3,704 118,52 4 |
| 10,51 1 903 Sg |
| 250 248 4,032 129,03 |
| 14,47 1 382 S6 |
| 260 223 4,484 143,50 6 |
| 16,5 1 212 S7 |
| 270 200 . 5,0 160,0 7 |
| 17,78 1 125 S8 |
| 280 180 5,556 177,78 |
| 12,7 1 574 S9 |
| 290 168 5,952 190,48 |
| 9,52 2 101 S10 |
| 300 160 6,25 200 1 |
Die Meßzykluszeit TC beginnt für jeden bestehenden Taupunkt Dp am Nullpunkt des
Zeitmaßstabs auf der Abszisse im Diagramm von Fig. 3, und sie endet nach 32 Perioden
der diesem Taupunkt entsprechenden Frequenz. Die eigentliche Meßzeit TM für die
Impulszählung darf jedoch erst nach Ablauf einer Offset-Zeit T0 von 100 ms beginnen,
die gleich der Meßzykluszeit TC für den niedrigsten Taupunkt von 200 K ist. Die
Meßzeit TM ist also gegeben durch: TM = TC T T.
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Die Offset-Zeit dient der Nullpunkteinstellung, denn auf diese Weise
ist es möglich, mit einer endlichen Frequenz
eine Meßzeit um =
° an der unteren Grenze des Neßbereichs zu erhalten.
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Die Messung der Offset-Zeit T0 geschieht gleichfalls durch Impulszhlung,
Die Frequenz f0 der Zählirnpulse kann dabei beliebig gewählt werden; es muß lediglich
dafür gesorgt werden, daß die Zahl N2 der gezählten Impulse die folgende Bedingung
erfüllt: = T f 2 0 O Bei gegebener Ipualzal 2 muß natürlich die Zählimpulsfrequenz
f0 entsprechend eingestellt werden.
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Wählt man beispielsweise eine Zählimpulsfrequenz von 12 000 Hz, so
müssen im vorliegenden Fall zur Messung der Offset-Zeit von 100 ms: N2 = 0,1 . 12000
= 1200 Impulse gezählt werden Nach Beendigung der Ofset-Zeit T0 beginnt dann die
Zählung der Zählimpulse mit den für die verschiedenen Segmente eingestellten Frequenzen
in einem Ergebniszähler. Gleichzeitig werden jeweils 20 Zählimpulse zur Bestimmung
der Segmente gezählt Diese Segmentzc-'hlung kann von dem gleichen Zähler vorgenommen
werden, der zuvor für die Messung der Offset-Zeit T0 diente; er wird daher Offset-
und Segment-Zähler genannt.
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Wenn kein Grundstrom gewünscht wäre, würde auf diese Weise für den
Taupunkt Dp = 200 K kein Impuls im Ergebnis zähler gezählt werden und der Strom
O mA angezeigt werden, für den Taupunkt Dp = 300 K würden 10 20 = 200 Impulse gezählt
werden
und der Strom 200 . 0,08 = 16 mA angezeigt werden, und für dazwischenliegende Tau
punkte würde eine proportionale Impuls zahl gezählt und ein proportionaler Strom
angezeigt werden.
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Wie zuvor erwähnt wurde, ist es aber erwünscht, für den Taupunkt Dp
= 200 K (und für niedrigere Taupunkte) einen Grundstrom von 4 mA anzuzeigen und
die Skala für die höheren Taupunkte entsprechend zu verschieben. Der Grundstrom
von 4 mA entspricht der Zählung von 50 Impulsen. Es ist daher vorgesehen, in jedem
Meßzyklus die ersten 50 Impulse der Offset-Zeit T0 in den Ergebniszähler einzuzählen.
Diese Zählung erfolgt in einer Vorlaufzeit TV am Beginn jedes Meßzyklus, wie in
Fig. 3 dargestellt ist. Nach Zählung von 50 Impulsen wird der Ergebniszähler angehalten,
während der Offset- und Segment-Zähler weiterläuft. Nach Beendigung der Offset-Zeit
Tg werden dann die Zählimpulse während der Meßzeit TM mit den für die verschiedenen
Segmente eingestellten Frequenzen im Ergebnis zähler zu den bereits darin stehenden
50 Impulsen hinzugezählt. Am Ende der Meßzeit TM wird der Ergebniszähler angehalten,
der Zählerstand wird durch einen Digital-Analog-Wandler in einen dazu proportionalen
Strom umgewandelt, und der Strom wird durch ein in Kelvin geeichtes Milliamperemeter
angezeigt.
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Als Beispiel sind in Fig. 3 die Verhältnisse bei der Messung des Taupunktes
Dp = 256 K dargestellt.
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An der Kurve D kann abgelesen werden, daß für 256 K die Meßzykluszeit
TC etwa 138 ms beträgt. Die Meßzeit TM beträgt demzufolge 38 ms.
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Nach'Beginn des Meßzyklus werden zunächst die N2 Impulse zur Messung
der Offset-Zeit T0 im Offset- und Segment-Zähler gezählt. Die ersten 50 Impulse
werden während der Vorlaufzeit TV in den Ergebniszähler eingezählt.
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Nach Zählung von N2 Impulsen im Offset- und Segment-Zähler geschieht
folgendes: - der Offset- und Segment-Zähler wird auf "Segmentzählung" umgeschaltet;
- der Zählimpulsgenerator wird auf die Frequenz f1 für das Segment S1 eingestellt
(10 417 elf); - der Ergebnis zähler wird für die Zählung der Zählimpulse freigegeben.
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Nach Beginn der Meßzeit TM werden somit sowohl im Ergebniszähler als
auch im Offset- und Segment-Zähler 20 Impulse mit der für das Segment S1 eingestellten
Zählimpulsfrequenz fT gezählt. Diese Zählung ist nach 1,92 ms beendet.
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Der Offset- und Segment-Zähler gibt nach Zählung von 20 Impulsen ein
Signal ab, das den Zählimpulsgenerator auf die Zählimpulsfrequenz für das Segment
S2 (4 950 EIz) umschaltet.
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Mit dieser Frequenz werden die nächsten 20 Impulse im Ergebniszähler
und im Offset- und Segment-Zähler gezählt. Die Zählung dieser 20 Impulse dauert
4,04 ms.
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Der gleiche Vorgang wiederholt sich für jedes folgende Segment. Am
Ende der Meßzeit hat somit der Ergebnis zähler jeweils 20 Impulse der Segmente S1,
S2, S3, S4, S5 sowie 12 Impulse im Segment 6 gezählt. Der Ergebniszähler zeigt den
Zählerstand 50 + 112 = 162 an. Dieser Zählerstand wird in einen Strom von 162 0,08
= 12,96 mA umgewandelt und angezeigt. Infolge der Eichung von 0,16 mA/K entspricht
die Differenz 12,96 - 4 = 8,96
einem Taupunkt von 200 + 8,96 =
200 + 56 = 256 K, 0,16 Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung,
welche die zuvor geschilderte Funktionsweise ergibt. In Fig. 5 ist der zeitliche
Verlauf von Signalen dargestellt, die an verschiedenen Punkten der Schaltung auftreten,
die mit den gleichen Buchstaben wie die Signale bezeichnet sind.
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Die von der Vorortelektronik kommende Ubertragungsleitung 10 führt
sowohl die Versorgungsgleichspannung für die Vorortelektronik als auch die von der
Vorortelektronik gelieferten Stromimpulse, deren Frequenz entsprechend der Kennlinie
von Fig. 1 den Taupunkt wiedergibt. Die Übertragungsleitung 10 ist mit einem Strom/Spannungs-Wandler
11 verbunden, in welchem die Stromimpulse abgetrennt und in rechteckige Spannungsimpulse
A umgewandelt werden (Fig. 5).
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Die Spannungsimpulse A werden an einen Frequenzteiler 12 mit dem Teilerfaktor
N1 angelegte der beim vorliegenden Beispiel den Wert 32 = 2 hat. Der Frequenzteiler
12 kann durch einen Binärzähler gebildet sein, der sich nach jeweils N1 Impulsen
selbst zurückstellt und zu diesem Zweck an einem Ausgang 12a nach jeweils 32 gezählten
Eingangs impulsen einen kurzen Rücksetzimpuls B (Fig. 5) abgibt. Der Ausgang 12a
ist mit dem Takteingang 13a einer Tor-Steuerschaltung 13 verbunden, die durch die
positive Flanke jedes Rücksetzimpulses getaktet wird. An einem Ausgang 13b der Tor-Steuerschaltung
13 erscheint somit ein Rechtecksignal C (Fig. 5), das abwechselnd jeweils für die
Dauer von 32 Impulsen des Signals A den hohen Signalwert und für die Dauer der nächsten
32 Impulse den niedrigen Signalwert hat. An einem zweiten Ausgang 13c der Tor-Steuerschaltung
13 erscheint ein Rechtecksignal D, das
zu dem Rechtecksignal C
komplementär ist und für verschiedene Steuerzwecke verwendet wird. Ein dritter Ausgang
13d liefert bei jeder abfallenden Flanke des Rechtecksignals C einen kurzen Impuls
N.
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Der Ausgang 13b ist mit dem Steuereingang 14a einer Torschaltung 14
verbunden, die an ihrem Signaleingang 14b die Zählimpulse empfängt. Der Ausgang
14c der Torschaltung 14 ist einerseits mit dem Takteingang 15a eines Offset- und
Segmentzählers 15 verbunden, und andererseits mit dem Signaleingang 16a einer Zählerfreigabeschaltung
16, deren Ausgang 16b mit dem Takteingang 17a eines Ergebniszählers 17 verbunden
ist.
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Die parallelen Stufenausgänge 17b des Ergebniszählers 17, an denen
der jeweilige Zählerstand in Form einer Binärzahl erscheint, sind mit den Eingängen
18a eines Speichers 18 verbunden, der einen Übernahme-Steuereingang 18b aufweist,
der mit dem vom Ausgang 13d der Tor-Steuerschaltung 13 angelegt ist.
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An die Parallelausgänge 18c des Speichers 18 sind die Digitaleingänge
19a eines Digital/Analog-Wandlers 19 angeschlossen, der an seinem Analogausgang
19b ein Analogsignal liefert, das der den Digitaleingängen 19a zugeführten Binärzahl
proportional ist. Ein an den Analogausgang 19b angeschlossener Stromgenerator 20
wandelt das Analogsignal in einen eingeprägten Strom um, der einem Milliamperemeter
21 zugeführt wird.
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Bestimmte Stufenausgänge 17c des Ergebniszählers 17 sind mit entsprechenden
Eingängen 22a eines Decodierers 22 verbunden, der beim Auftreten des Zählerstands
"50" den Zustand des Ausgangssignals an seinem Ausgang 22b ändert, der mit einem
Steuereingang 16c der Zählerfreigabeschaltung 16 verbunden ist.
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Der Signaleingang 14b der Torschaltung 14 ist mit dem Ausgang 23a
eines Spannungs/Frequenz-Wandlers 23 verbunden, der zusammen mit einem Analog-Multiplexer
24 den Zählinipulsgenerator bildet. Der Spannungs/Frequenz-Wandler 23 ist so ausgebildet,
daß er an seinem Ausgang 23a Impulse liefert, deren Folgefrequenz durch eine an
einen Eingang 23b angelegte Analogspannung einstellbar ist. Der Eingang 23b ist
mit dem Ausgang 24a des Analog-Multiplexers 24 verbunden, der eine Gruppe von Analogsignaleingängen
24b-0, 24b-1 ... 24b-n und eine Gruppe von Adresseingängen 24c aufweist. Der Analog-Multiplexer
24 ist so ausgebildet, daß er jeweils an seinem Ausgang 24a das Analogsignal abgibt,
das an demjenigen Analogsignaleingang 24b anliegt, der durch die an den Adresseingängen
24c anliegende Adresse bezeichnet ist.
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Die Analogsignaleingänge 24b-1 bis 24b-n sind jeweils mit dem Abgriff
einer zugeordneten Potentiometerschaltung 25-1 bis 25-n verbunden. Diese Potentiometerschaltungen
sind zwischen dem Ausgang 26a eines Impedanzwandlers 26 und Masse angeschlossen,
so daß sie einen durch die Einstellung des Potentiometerabgriffs festgelegten Bruchteil
der Ausgangs spannung des Impedanzwandlers 26 an den zugeordneten Analogsignaleingang
anlegen.
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Der Analogsigl. Leingang 24b-0 ist direkt mit dem Ausgang 26a des
Impedanzwandlers 26 verbunden, so daß beim Anliegen der Adresse "O" an den Adresseingängen
24c die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers 26 unmittelbar am Ausgang 24a des
Analog-Multiplexers 24 abgegeben wird. Sobald an die Adresseingänge 24c die Adresse
"1" angelegt wird, erscheint am Ausgang 24a die am Abgriff der Potentiometerschaltung
25-1 abgegriffene Spannung, und der Spannungs/Frequenz-Wandler 23 erzeugt demzufolge
eine Impulsfolgefrequenz, die dieser Spannung entspricht. In entsprechender Weise
können durch Änderung der an die Adresseingänge 24c angelegten Adressen die an den
verschiedenen Potentiometerschaltungen abgegriffenen Analogspannungen zum Spannungs/Frequenz-Wandler
23 übertragen werden und dadurch dessen Ausgangs frequenz verändert werden.
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Die durch Schaltersymbole angedeutete Möglichkeit der Umschaltung
der Potentiometerschaltungen 25-1 bis 25-n ergibt eine Vergrößerung des erzielbaren
Linearisierungsbereichs.
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Die Adresseingänge 24c des Analog-Multiplexers 24 sind mit den Stufenausgängen
27a eines Multiplex-Zählers 27 verbunden, dessen Takteingang 27b an einen Ausgang
15b des Offset- und Segment-Zählers 15 angeschlossen ist. Der Offset- und Segment-Zähler
15 hat einen Voreinstelleingang 15c, an dem die Zahl N2 voreinstellbar ist, und
er ist so ausgebildet, daß er in der Betriebsart "Offsetzählung" nach Zählung von
N2 dem Eingang 15a zugeführten Impulsen am Ausgang 15b einen Impuls zum Multiplex-Zähler
27 liefert, während er in der Betriebsart "Segment zählung" jeweils nach Zählung
von 20 Impulsen einen Impuls am Ausgang 15b abgibt. Der Multiplex-Zähler 27 hat
einen Ausgang 27d, dessen Ausgangssignal dem auscodierten Zählerstand 7 entspricht,
d.h. während des Zählerstands 1 einen niedrigen Signalwert und bei allen anderen
Zählerständen einen hohen Signalwert h.nt. Der Ausay 27c ist mit einem Steuereingang
15d des Offset- und Segment-Zählers 15 verbunden, der zur Umschaltung von der Betriebsart
"Offsetzählung" auf die Betriebsart "Segmentzählung" dient. Ferner ist der Ausgang
27c des Multiplex-Zählers 27 mit einem weiteren Steuereingang 16d der Zählerfreigabeschaltung
16 verbunden. Ein weiterer Ausgang 27d des Multiplex-Zählers 27, an dem nach Zählung
der vorgesehenen Höchstzahl von Segmenten (bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel
also nach Zählung von zehn Segmenten) ein Ausgangssignal erscheint, ist mit einem
weiteren Steuereingang 16e der Zählerfreigabeschaltung 16 verbunden. Die Zählerfreigabeschaltung
16 ist so ausgebildet, daß sie für die Übertragung der am Eingang 16a anliegenden
Impulse zum Ausgang 16b geöffnet ist, wenn wenigstens eines der beiden an den Steuereingängen
16c und 16d anliegenden Signale L und F den hohen Signalwert hat, vorausgesetzt,
daß auch gleichzeitig das am Steuereingang 16e anliegende Signal M den hohen Signalwert
hat. Sie wird gesperrt, wenn die beiden Signale L-und F gleichzeitig den niedrigen
Signalwert haben, oder wenn das Signal M den niedrigen Signalwert annimmt.
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Der Offset- und Segment-Zähler 15 und der Multiplex-Zähler 27 haben
jeweils einen Rückstelleingang 15e bzw. 27e; diese P.ückstelleingänge empfangen
das Signal D vom Ausgang 13c der Tor-Steuerschaltung 13, doch sind die entsprechenden
Verbindungen der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeichnet, sondern nur durch Pfeile
angedeutet.
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Das Signal D ist ferner an den Steuereingang 28a einer Torschaltung
-28 angelegt, deren Signaleingang 28b mit einem weiteren Ausgang 12b des Frequenzteilers
12 verbunden ist, welcher der Ausgang der ersten Frequenzteilerstufe ist. Der Ausgang
der Torschaltung 28 ist mit einem Rückstelleingang 17d des Ergebniszählers 17 verbunden.
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Die Wirkungsweise des bisher beschriebenen Teils der Schaltung von
Fig. 4 soll anhand der Diagramme von Fig. 3 und Fig. 5 erläutert werden.
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Jeder Meßzyklus beginnt mit einem Rücksetzimpuls B, durch den das
Ausgangssignal C der Tor-Steuerschaltung 13 auf den hohen Signalwert geht. Dies
ist der Beginn der Meßzykluszeit Tc, deren Dauer 32 Perioden der am Eingang 10 anliegenden-Meßimpulse
beträgt.
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Da gleichzeitig das Signal D auf den niedrigen Signalwert geht, wird
die Sperrung am Eingang 15e des Offset- und Segment-Zählers 15 und am Eingang 27e
des Multiplex-Zählers 27 aufgehoben. Das Ausgangssignal E am Ausgang 15b des Offset-und
Segments-Zählers 15 geht dadurch auf den digitalen Signalwert "O", wodurch der Multiplex-Zähler
27 vom Zählerstand "O" auf den Zählerstand "1" geht. Das am Ausgang 27c erscheinende
Signal F, das den auscodierten Zustand "1" des Multiplex-Zählers wiedergibt, nimmt
daher den niedrigen Signalwert an, durch den der Offset- und Segment-Zähler 15 in
die Betriebsart "Offsetzählung eingestellt wird. Der Offset- und Segment-Zähler
15 beginnt somit die Rückwärtszählung der voreingestellten Impulszahl N2.
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Ferner legen die Stufenausgänge 27a des Multiplex-Zählers 27 an die
Adresseingänge 24c des Analog-Multiplexers 24 die Adresse 1 an, so daß der Analoy-Multiplexer
24 die am Abgriff der Potentiometerschaltung 25-1 abgegriffene Analogspannung zum
Ausgang 24a durchschaltet. Diese Spannnung wird an den Eingang 23b des Spannungs/Frequenz-Wandlers
23 angelegt und hat die Abgabe einer entsprechenden Impulsfolgefrequenz am Ausgang
23a zur Folge. Die Potentiometerschaltung 25-1 ist so eingestellt, daß diese Impulsfolgefrequenz
die Offset-Zählimpulsfrequenz fo ist, so daß die Zahlung von t12 Perioden dieser
Frequenz genau der Offset-Zeit To entspricht.
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Die Torschaltung 14 ist durch den hohen Signalwert des am Eingang
14a anliegenden Signals C geöffnet worden, so daß die vom Spannungs/Frequenz-Wandler
23 abgegebenen Zählimpulse mit der Frequenz f0 von der Torschaltung 14 zum Takteingang
15a des Ofset- und Segment-Zählers 15, sowie zum Eingang 1 6ader Zählerfreigabeschaltung
16 übertragen werden (Signal H). Die Zählerfregabeschaltung ist öffnet, weil sowohl
das Signal M als auch das Signal L den hohen Signalwert haben, so daß d über die
Torschaltung 14 übertragenen Zählimpulse zunächst zum Takteingang 1 ?a des Ergebniszählers
17 gelangen Sobald der Brgebniszähler 17 den Zählexstand "50" erreicht hat, nimrc
des Signal L am Ausgang des Decodierers 22 den niedrigen Signalwert an, wodurch
die Zhierfreigabeschaltung 16 gesperrt wird, so daß keine Zählimpulse mer zum Ergebniszähler
17 übertragen werden. Der Ergebniszätller 17 bleibt somit nach Zählung von 50 Zählimpulsen
stehen.
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Der Offset- und Segment-Zähler 15 setzt dac? die Wellung der über
die Torschaltung 14 übertragenen Zählimpulse Wort, und er liefert am Ausgang 15b
einen Impuls (Signal E), wenn 2 Impulse gezählt worden sind. Dieser Impuls zeigt
das Ende der Offset-Zeit T0 und den Beginn der Meßzeit an.
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Durch den Impuls des Signals E wird der Multiplex-Zähler 27 vom Zählerstand
"1" in den Zählerstand "2" geschaltet. Das
am Ausgang 27c abgegebene
Signal F ändert seinen Zustand auf den hohen Signalwert, wodurch die Zählerfreigabeschaltung
16 erneut geöffnet wird und der Offset- und Segment-Zähler 15 auf die Betriebsart
"Segmentzählung" umgeschaltet wird.
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Gleichzeitig legen die Stufenausgänge 27a des Multiplex-Zählers 27
an die Adresseingänge 24c des Analog-Multiplexers 24 die Adresse "2" an, so daß
nunmehr die an der nächsten (in Fig. 4 nicht dargestellten) Potentiometerschaltung
25-2 eingestellte Spannung als Steuerspannung J an den Eingang 23b des Spannungs/Frequenz-Wandlers
23 angelegt wird. Diese Spannung ist so eingestellt, daß sie die dem Segment S1
zugeteilte Zählimpulsfrequenz fz ergibt, gemäß der obigen Tabelle also die Frequenz
10 417 Hz. Die vom Ausgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers 23 mit dieser Frequenz
gelieferten Impulse werden über die geöffnete Torschaltung 14 zum Offset- und Segment-Zähler
15 und über die geöffnete Zählerfreigabeschaltung 16 zum Ergebniszähler 17 übertragen,
wo sie jeweils gezählt werden. Nach Zählung von 20 Impulsen liefert der Offset-
und Segment-Zähler 15 erneut einen Impuls (Signal G) zum Multiplex-Zähler 27, so
daß dieser vom Zählerstand "2" zum Zählerstand "3" geschaltet wird und demzufolge
die Adresse "3" an die Adresseingänge 24c des Analog-Multiplexers 24 anlegt. Somit
wird die mit der (nicht dargestellten) Potentiometerschaltung 25-3 eingestellte
Spannung als Steuerspannung J zum Eingang 23b des Spannungs/Frequenz-Wandlers 23
durchgeschaltet. Dadurch wird die Folgefrequenz der vom Spannungs/Frequenz-Wandler
23 gelieferten Zählimpulse auf den dem Segment S2 zugeordneten Wert umgeschaltet,
und die nächsten 20 Impulse werden mit dieser Frequenz sowohl im Ergebniszähler
17 als auch im Offset- und Segment-Zähler 15 gezählt. Der gleiche Vorgang wiederholt
sich für die folgenden Segmente, wobei jeweils nach Zählung von 20 Impulsen die
Zählimpulsfrequenz auf einen neuen, mit Hilfe einer der Potentiometerschaltungen
25-1 bis 25-n eingestellten Wert geändert wird.
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Die Meßzykluszeit TC und damit die Meßzeit TM sind beendet, sobald
32 Impulse des Signals A im Frequenzteiler 12 gezählt worden sind. Dann erscheint
ein neuer Rücksetzimpuls B, der die Tor-Steuerschaltung 13 taktet, so daß das Signal
C am Ausgang 13b auf den niedrigen Signalwert geht. Dadurch wird die Torschaltung
14 gesperrt, wodurch die weitere Ubertragung von Zählimpulsen zum Offset- und Segment-Zähler
15 und zum Ergebniszähler 17 gesperrt wird. Der Ergebniszähler 17 bleibt somit auf
der bis zum Augenblick der Sperrung gezählten Impulszahl stehen. Gleichzeitig wird
am Ausgang 13d der Tor-Steuerschaltung 13 ein Impuls N abgegeben, der dem Steuereingang
18b des Speichers 18 zugeführt wird und die übernahme des Zählerstands des Ergebniszählers
17 in den Speicher 18 bewirkt. Das Ausgangssignal D am Ausgang 13c der Tor-Steuerschaltung
13 geht auf den hohen Signalwert, wodurch der Offset- und Segment-Zähler 15 und
der Multiplex-Zähler 27 auf Null zurückgestellt werden. Ferner öffnet das Signal
D die Torschaltung 28, so daß nunmehr die von der ersten Teilerstufe des Frequenzteilers
12 abgegebenen Impulse zum Rückstelleingang des Ergebniszählers 17 übertragen werden,
der dadurch mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem Ende der Meßzeit auf Null
zurückgestellt wird (Signal P).
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Das im Speicher 18 stehende Ergebnis wird vom Digital/Analog-Wandler
19 in einen Analogwert umgewandelt, der als eingeprägter Strom mit einem Wert zwischen
4 und 20 mA im Milliamperemeter 21 zur Anzeige gebracht wird.
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Wenn der Taupunkt unter 200 K liegt, ist die Frequenz fM der Meßimpulse
so hoch und demzufolge die Periodendauer so kurz, daß die Meßzykluszeit TC zu Ende
ist, bevor der Offset- und Segment-Zähler N2 Impulse gezählt hat. In diesem Fall
wird die Törschaltung 14 geschlossen, bevor die Zählerfreigabeschaltung 16 erneut
geöffnet wird, so daß der Ergebniszähler 17 auf dem am Beginn der Meßzykluszeit
erreichten Zählerstand "50" stehen bleibt und der Grundstrom von 4 mA zur Anzeige
gebracht
wird. Im übrigen werden auch in diesem Fall am Ende der
Meßzykluszeit TC alle Schaltungsbestandteile wieder in den Ausgangszustand für die
Durchführung des nächsten Meßzyklus zurückgestellt.
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Wenn andererseits der Taupunkt über 300 K liegt, ist die Frequenz
fM der Meßimpulse so niedrig und demzufolge ihre Periodendauer so groß, daß die
Zählung aller zehn Segmente im Offset- und Segment-Zähler vor dem Ende der Meßzykluszeit
TC endet. In diesem Fall liefert der Multiplex-Zähler 27 beim Erreichen des Zählerstandes
"12P am Ausgang 27d zum Steuereingang 16e der Zählerfreigabeschaltung 16 ein Signal
M, das die Zählerfreigabeschaltung sperrt, wodurch die übertragung weiterer Zählimpulse
zum Ergebniszähler 17 verhindert wird.
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Der Ergebniszähler bleibt dann auf dem Zählerstand "200J' stehen,
der zur Anzeige gebracht wird. Auch in diesem Fall werden schließlich alle Schaltungsbestandteile
in den Ausgangszustand zurückgestellt, wenn die Zählung von 32 Impulsen im Frequenzteiler
12 beendet worden ist.
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In allen Fällen ist während der nächsten 32 Meßimpulse die Torschaltung
14 geschlossen, so daß in dieser Periode eine Messung stattfindet. Dieses Zeitintervall
wird zur Regelung des Spannungs/Frequenz-Wandlers 23 benutzte Zu diesem Zweck ist
ein Ouarzgenerator 30 vorgesehen, der mit einer Frequenz von 4,194304 MHz schwingt.
Der Ausgang des Quarzgenerators 30 ist mit dem Eingang eines Frequenzteilers 31
verbunden, der die Frequenz durch den Faktor 6A teilt. Die vom Ausgang des Frequenzteilers
31 abgegebene Frequenz von 65,536 kflz wird an den Eingang 32a eines Frequenz- und
Phasenkomparators 32 angelegt, dessen anderer Eingang 32b mit dem Ausgang 23a des
Spannungs/Frequenz-Wandlers 23 verbunden ist Der Ausgang 32c des Frequenz- und Phasenkomparators
32 ist mit einer 'Sample & Hold'l-Schaltung(Momentanwertspeicher)33 verbunden,
an deren Steuereingang 33a das Signal D vom Ausgang 13c der Tor-Steuerschaltung
13d angelegt ist Die in der Simple & Hc.d"-Schaltung 33 gespeicherte Spannung
liegt an einem Eingang 26b des Impedanzwandlers 26 an
Da in der
Ruhephase zwischen zwei Meßzyklen die Adresse "O" an den Adresseingängen 24c des
Analog-Multiplexers 24 anliegt, überträgt dieser die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers
26 unmittelbar zum Spannungs/Frequenz-Wandler 23. Durch das Signal D ist die Simple
& Hold" -Schaltungwährend dieser Zeit auf "Sample" geschaltet, so daß die Eingangsspannung
des Impedanzwandlers 26 der Ausgangs spannung des Frequenz-und Phasenkomparatcrs
32 folgen kann. Diese Spannung stellt sich so ein, daß die vom Spannungs/Frequenz-Wandler
23 abgegebene Frequenz gleich der durch den Frequenzteiler 31 untersetzten Quarzfrequenz
ist. Als Ergebnis dieser Regelung gibt also der Impedanzwandler 26 eine Spannung
aG, die einer Ausgangs frequenz des Spannungs/Frequenz-Wandlers 23 von 65 536 Hz
entspricht. Beim Beginn des nächsten Meßzyklus wird die Simple & Hold" -Schaltung33
auf "Hold" umgeschaltet, so daß die erreichte Spannung des Impedanzwandlers während
des ganzen Meßzyklus bestehen bleibt. Mit Hilfe der Spannungsteilerschaltungen 25-1
bis 25-n werden die eingestellten Bruchteile von dieser eingeregelten Spannung zur
Erzeugung der verschiedenen Zählimpulsfrequenzen abgegriffen. Dadurch wird erreicht,
daß eine Drift der Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers 23 oder Versorgungsspannungsschwankungen
keinen Einfluß auf die zur Linearisierung benötigten Frequenzen des Spannungs/Frequenz-Wandlers
haben.
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Die Anzeige des Grundstroms von 4 mA erlaubt eine Uberwachung aller
wichtigen Funktionen der Auswerteelektronik; Ausgangsströme, die kleiner als 4 mA
sind, lassen auf einen Fehler der Auswerteelektronik schließen.
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Da die 50 Impulse, deren Zählung den Grundstrom ergibt, vom Spannungs/Frequenz-Wandler
23 geliefert werden, zeigt ein Ausgangsstrom von 4 mA oder mehr an, daß der Spannungs/
Frequenz-Wandler sowie seine Ansteuerung funktionsfähig
sind. Zu
der Ansteuerung gehören der Analog-Multiplexer 24, die Spannungsteilerschaltungen
25-1 bis 25-n, der Impedanzwandler 26 sowie die aus den Schaltungsteilen 30, 31,
33 bestehende Regelschaltung.
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Da die ersten 50 Impulse der Offset-Zeit über die Torschaltung 14
und die Zählerfreigabeschaltung 16 in den Ergebniszähler 17 eingegeben werden, müssen
auch diese Funktionsgruppen sowie die zugehörigen Steuerschaltungen funktionsfähig
sein, wenn ein Ausgangsstrom von 4 mA oder mehr angezeigt wird. Zu den Steuerschaltungen
gehören die Tor-Steuerschaltung 13, der Multiplex-Zähler 27, der Offset- und Segment-Zähler
15 und der Decodierer 22. An der Erzeugung des Grundstroms sind ferner der Speicher
18, der Digital/ Analog-Wandler 19 und der Stromgenerator 20 beteiligt. Wenn irgendeine
der zuvor genannten Funktionsgruppen ausfällt, ist die Bedingung für die Erzeugung
eines Ausgangsstroms I >4 mA nicht mehr erfüllt.
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Zur Überprüfung weiterer Funktionen ist eine Funktionsüberwachungsanordnung
34 vorgesehen, von der ein Eingang 34a an die Übertragungsleitung 10 und ein weiterer
Eingang 34b an den Ausgang des Strom/Spannungs-Wandlers 11 angeschlossen ist und
die einen Ausgang 34c hat, der mit dem Eingang des Stromgenerators 20 verbunden
ist. Die Funktionsüberwachungsanordnung 34 dient zur Überwachung von Störungen am
Fühler, in der Vorortelektronik und an der Übertragungsleitung 10.
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Fig. 6 zeigt schematisch ein Blockschema der Vorortelektroi, die über
die übertragungsleitung 10 mit der Auswerteelektronik von Fig. 4 verbunden ist.
Die Übertragungsleitung 10 ist eine Zweidrahtleitung, über welche die Versorgungsgleichspannung
für die in der Vorortelektronik enthaltenen Schaltungsbestandteile übertragen wird.
In Fig. 6
ist der Feuchtefühler 35 zu erkennen, dessen Kapazität
sich in Abhängigkeit von der bestehenden Feuchte ändert.
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Der Feuchtefühler 35 ist über einen Kondensator 36 mit einem Oszillator
37 verbunden, der beispielsweise durch einen astabilen Multivibrator gebildet ist,
dessen Frequenz von der Kapazität des Feuchtefühlers 35 abhängig ist.
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Die vom Oszillator 37 gelieferten Impulse lösen eine monostabile Kippschaltung
38 aus, deren Ausgangsimpulse einen elektronischen Schalter 39 steuern, der in Reihe
mit einem Widerstand 40 zwischen den beiden Drähten der Ubertragungsleitung 10 angeschlossen
ist.
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Beim normalen Betrieb ändert sich die Frequenz der Ausgangssignale
des Oszillators 37 entsprechend der Kennlinie B von Fig. 1 in Abhängigkeit von der
durch die Feuchte bestimmten Kapazität des Feuchtefühlers 35. Die monostabile Kippschaltung
38 erzeugt Impulse vorgegebener Dauer mit einer Folgefrequenz, die der Ausgangsfrequenz
des Oszillators 37 entspricht. Durch diese Impulse wird der elektronische Schalter
39, der beispielsweise ein Transistor ist, periodisch betätigt, so daß er einen
Stromkreis über den Widerstand 40 zwischen den beiden Drähten der Übertragungsleitung
10 schließt. Wenn dieser Stromkreis unterbrochen ist, fließt über die Übertragungsleitung
10 nur der Versorgungsgleichstrom Iv. Ist dagegen der Stromkreis über den Schalter
39 geschlossen, so fließt über den Widerstand 40 ein zusätzlicher Stromimpuls IM,
der dem Versorgungsyleichstrom IV überlagert wird.
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Wenn der Feuchtefühler 35 oder seine Zuleitung unterbrochen ist, schwingt
der Oszillator 37 auf einer Frequenz, die wesentlich höher als die im normalen Betrieb
auftretende höchste Frequenz ist. Durch geeignete Schaltungsmaßnahmen wird diese
Frequenz auf etwa 1 kHz begrenzt. Das Auftreten
von Impulsen mit
einer so hohen Frequenz auf der übertragungsleitung 10 zeigt also eine Unterbrechung
des Fühlers oder seiner Zuleitung an.
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Besteht dagegen ein Kurzschluß am Feuchtefühler 35 oder auf seiner
Zuleitung, so wirkt der Kondensator 36 als frequenzbestimmendes Glied. Der Oszillator
37 liefert dann eine Frequenz, die unter 10 Hz liegt.
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Um die Möglichkeit zu haben, die ganze aus Vorortelektronik und Auswerte-Elektronik
bestehende Übertragungskette zu überprüfen, ist in der Vorortelektronik eine weitere
monostabile Kippschaltung 41 vorgesehen, deren Auslöseeingang an den Abgriff eines
Spannungsteilers angeschlossen ist, der aus zwei Widerständen 42 und 43 besteht
und zwischen den beiden Drähten der Übertragungsleitung 10 angeschlossen ist. Der
Ausgangsimpuls der monostabilen Kippschaltung 41 betätigt einen Schalter 44 (beispielsweise
ein Relais), der in Reihe mit einem Kondensator 45 parallel zum Feuchtefühler 35
geschaltet ist. Mit Hilfe eines in der Auswerte-Elektronik (Fig. 4) vorgesehenen
Tastschalters 46 kann die Versorgungsgleichspannung auf der Übertragungsleitung
10 kurzzeitig für etwa 1 ms unterbrochen werden. Dadurch wird die monostabile Kippschaltung
41 ausgelöst, und ihr Ausgangssignal schließt den Schalter 44 für eine Zeitdauer
von etwa 2 Sekunden. Damit wird der Kondensator 45 parallel zum Feuchtefühler 35
geschaltet, so daß die Frequenz des Oszillators 37 auf einen Wert zwischen 10 und
50 Hz fällt.
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Dadurch wird ein Taupunkt von über 300 K simuliert, der in der Auswerte-Elektronik
einen Strom von 20 mA zur Anzeige bringen muß.
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Fig. 7 zeigt ein Blockschema der Funktionsüberwachungsschaltung 34.
Sie enthält zwei Komparatoren 50, 51, von denen
jeweils ein Eingang
mit der an die Ubertragungsleitung 10 angeschlossenen Klemme 34a verbunden ist,
während an den anderen Eingang eine mittels eines Spannungsteilers 52 bzw. 53 festgelegte
Bezugsspannung angelegt ist. Der Ausgang des Komparators 50 ist mit einer Leuchtdiode
54 und mit einem Eingang einer Oder-Schaltung 56 verbunden. Der Ausgang des Komparators
51 ist mit einer weiteren Leuchtdiode 55 und mit einem zweiten Eingang der Oder-Schaltung
56 verbunden. An den Ausgang der Oder-Schaltung 56 ist ein Verstärker 57 angeschlossen,
dessen Ausgang den in Fig. 4 dargestellten Ausgang 34c bildet und außerdem ein Relais
58 steuert, das beispielsweise einen Umschaltkontakt 59 betätigt.
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Die Bezugsspannung des Komparators 50 ist so eingestellt, daß dieser
Komparator ein Ausgangssignal liefert, wenn die Spannung an der Klemme 34a unter
einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn auf
der Übertragungsleitung 10 ein Kurzschluß besteht. Das Ausgangssignal des Komparators
50 bringt dann die Leuchtdiode 54 zum leuchten, wodurch der Leitungskurzschluß angezeigt
wird.
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Die Schwellenspannung des Komparators 51 ist so eingestellt, daß der
Komparator ein Ausgangssignal liefert, wenn die Spannung an der Klemme 34a über
einen vorgegebenen Grenzwert ansteigt. Dies ist dann der Fall, wenn auf der Übertragungsleitung
10 eine Unterbrechung besteht.
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Das Ausgangssignal des Komparators 51 bringt dann die Leuchtdiode
55 zum Leuchten, wodurch die beitungsunterbrechung angezeigt wird.
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In jedem dieser beiden Störungsfälle wird ferner das Ausgangssignal
des betreffenden Komparators 50 bzw. 51 über
die Oder-Schaltung
56 zum Verstärker 57 übertragen, dessen Ausgangsspannung an den Eingang des Stromgenerators
20 angelegt wird und dessen Ausgangsstrom auf über 20 mA treibt, wodurch die Störung
auch auf dem Milliamperemeter 21 angezeigt wird. Ferner wird durch die Ausgangsspannung
des Verstärkers 57 das Relais 58 betätigt.
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Die Funktionsüberwachungsanordnuny 34 bewirkt ferner eine Uberwachung
des Feuchtefühlers und seiner Zuleitung. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß
die Ausgangsfrequenz der Vorortelektronik bei einer Unterbrechung des Feuchtefühlers
oder seiner Zuleitung auf über 500 Hz ansteigt und bei Kurzschluß bzw. sehr großer
Feuchte die Ausgangs frequenz unter 10 Hz absinkt.
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Zu diesem Zweck ist ein Taktgenerator 60 vorgesehen, der Taktimpulse
mit einer Frequenz von 14 085 Hz liefert. Der Ausgang des Taktgenerators 60 ist
mit dem Zähleingang 61a eines zwölfstufigen Binärzählers 61 verbunden. Der Rückstelleingang
61b des Binärzählers 61 ist über einen Kondensator 62 mit der Klemme 34b verbunden,
an welche die Ausgangsimpulse des Strom/Spannungs-Wandlers 11 (Signal A von Fig.
5) angelegt sind, so daß der Binärzähler 61 bei jeder ansteigenden Flanke dieser
Impulse auf Null zurückgestellt wird. Die Rückstellimpulse am Eingang 61b folgen
also mit der Meßfrequenz fM aufeinander. An einen Ausgang 61c des Binärzählers 61,
welcher der Ausgang der sechsten Zählerstufe ist, ist der Setzeingang S eines RS-Flipflops
63 angeschlossen, und an einen Ausgang 61d des Binärzählers 61, welcher der Ausgang
der elften Zählerstufe ist, ist der Setzeingang S eines RS-Flipflops 64 angeschlossen.
Die Rücksetzeingänge R der beiden Flipflops 63, 64 empfangen die gleichen Rückstellimpulse
wie der Rückstelleingang 61b des Binärzählers 61. An den Ausgang Q jedes der beiden
RS-Flipflops
ist der Eingang D eines D-Flipflops 65 bzw.
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66 angeschlossen, und die Takteingänge C der beiden D-Flipflops 65
und 66 sind mit der Klemme 34b verbunden.
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Der Ausgang Q des D-Flipflops 65 ist mit einem Eingang der Oder-Schaltung
56 verbunden und steuert außerdem über einen Treiberverstärker 67 eine Leuchtdiode
68, und der Ausgang Q des D-Flipflops 66 ist ebenfalls mit einem Eingang der Oder-Schaltung
56 verbunden und steuert außerdem über einen Treiberverstärker 69 eine Leuchtdiode
70.
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Am Ausgang 61c des Binärzählers 61 erscheint ein Signal "1", wenn
zwischen zwei dem Eingang 61b zugeführten Rückstellimpulsen mindestens 25 = 32 Taktimpulse
des Taktgenerators 60 gezählt werden. Dies ist irnmer dann der Fall, wenn die Folgefrequenz
der am Eingang 34b anliegenden Impulse, also die von der Vorortelektronik gelieferte
Meßfrequenz fM, kleiner als der 32. Teil der Folgefrequenz des Taktgenerators 60
ist, also unter etwa 440 Hz liegt. In diesem Fall wird das RS-Flipflop 63 jeweils
zwischen zwei Rücksetzimpulsen auf 1 gesetzt, und der Zustand 1 des Ausgangs Q wird
mit jedem Taktimpuls in das D-Flipflop 65 übernommen. Der Ausgang Q des D-Flipflops
65 führt also dauernd das Signal "O".
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wenn die Meßfrequenz zum unter etwa 440 Hz liegt.
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Wenn dagegen die Meßfrequenz fM über 440 Hz ansteigt (und insbesondere
auf eine Frequenz von mehr als 500 Hz, wie im Fall einer Unterbrechung des Feuchte
fühlers oder seiner Zuleitung), nimmt der Ausgang 61c des Binärzählers 61 nicht
den Zustand 1 an, weil der Binärzähler 61 jeweils durch den nächsten Rückstellimpuls
auf Null zurückgestellt wird, bevor er 32 Taktimpulse gezählt hat. Das RS-Flipflop
63 bleibt dann dauernd im Zustand "O", und dieser Zustand wird mit jedem Impuls
am Takteingang C in das D-Flipflop 65 übernommen. Der Ausgang Q des D-Flipflops
65 führt somit
dauernd das Signal "1", wenn die Meßfrequenz zum
größer als etwa 440 Hz ist, wodurch die Leuchtdiode 68 über den Treiberverstärker
67 zum Leuchten gebracht wird. Das Leuchten der Leuchtdiode 68 zeigt somit eine
Unterbre-Eichung des Feuchtefühlers oder seiner Zuleitung an.
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In entsprechender Weise erscheint am Ausgang 61d des Binärzählers
67 nur dann ein Signal "1", wenn zwischen zwei Rückstellimpulsen mindesten 210 =
1024 Taktimpulse gezählt werden. Dies ist dann der Fall, wenn die von der Vorortelektronik
gelieferte Meßfrequenz fM unter etwa 14 Hz fällt. Ein Signal 1 am Ausgang 61d tritt
also insbesondere dann auf,wenn ein Kurzschluß des Feuchtefühlers oder seiner Zuleitung
besteht und die Vorortelektronik demzufolge eine Frequenz liefert, die unter 10
Hz liegt.
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Das am Ausgang 61d erscheinende Signal "1" setzt das RS-Flipflop 64,
dessen Zustand mit jedem Impuls am Takteingang C in das D-Flipflop 66 übernommen
wird. Das D-Flipflop 66 hat also dauernd den Zustand "1", wenn die Meßfrequenz kleiner
als etwa 14 Hz ist, und dauernd den Zustand "O", wenn die Meßfrequenz fM größer
ist. Der Zustand "1" am Ausgang Q des D-Flipflops 66 bringt die Leuchtdiode 70 zum
Leuchten, wodurch ein Kurzschluß des Feuchtefühlers oder seiner Zuleitung angezeigt
wird.
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Das Aufleuchten der Leuchtdioden 68 und 70 signalisiert somit den
Zustand des Feuchtefühlers nach der in der folgenden Tabelle angegebenen Zuordnung:
| Meßfrequenz Zustand des Zählerausgang Leuchtdiode |
| Feuchtefahlers 61c 61d 68 70 |
| >500 Hz Unterbrechung O O L O |
| 50 bis 350 Hz normal 1 0 0 0 |
| < 10 Hz Kurzschluß 1 1 O L |
Die Ausgangssignale der Flipflops 65 und 66 werden außerdem über
die Oder-Schaltung 56 an den Verstärker 57 angelegt, wo sie die gleichen Wirkungen
wie die Ausgangssignale der Komparatoren 50 und 51 hervorrufen.
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Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt eine Linearisierung
der Anzeige der Meßgröße, d.h. der zur Anzeige verwendete Strom ist der Meßgröße
direkt proportional (Kurve A von Fig. 1), ungeachtet der bestehenden Nichtlinearität
des Zusammenhangs zwischen Meßgröße und Frequenz (Kurve B von Fig. 1). Die Anordnung
von Fig. 4 kann aber ohne Änderung auch zur Erzielung jeder gewünschten anderen
Anzeige-Kennlinie verwendet werden, beispielsweise zur Erzielung einer quadratischen
oder logarithmischen Kennlinie. Hierzu biauchen nur die in den einzelnen Segmenten
verwendeten Zählimpulsfrequenzen durch entsprechende Einstellung der Potentiometerschaltungen
anders bestimmt zu werden. Zu diesem Zweck werden die Meßgrößenintervalle, die den
in jedem Segment gezählten (z.B. zwanzig) Impulsen zugeordnet werden, nicht (wie
in Fig. 3) gleich groß gewählt, sondern entsprechend dem gewünschten Zusammenhang.
Für diese Meßgrößenintervalle werden wieder die entsprechenden Zeitintervalle AT
bestimmt, und die Zählimpulsfrequenz wird wieder nach der angegebenen Formel NS/T
berechnet.